物聯網技術在電力系統的作用

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【摘要】研究LoRa和eLTE-IoT兩種物聯網技術，開發基于LoRa技術和eLTE-IoT技術的外置用電信息采集通信倉，以用電信息采集業務的實際應用為著力點，解決電力通信覆蓋盲區問題。研究eLTE-IoT和LoRa技術原理，部署實驗環境，開發或利用相關的平臺，通過兩者技術的實驗數據，給出對比性的客觀數據，為實現敏感客戶設備停電告警實時監測、故障定位，做到快速定位、快速消缺做好研究基礎。

【關鍵詞】物聯網技術；電力系統；應用

1LoRa在物聯網中的技術應用

1.1背景。物聯網（IOT）是指通過各種信息傳感器、RFID技術，實時采集任何需要監控、連接和交互的對象或過程，以及聲音、光、熱、電、機械、化學、生物和位置等需要采集的信息，全球定位系統、紅外傳感器、激光掃描儀等設備和技術通過各種可能的網絡接入，實現物體與人之間無處不在的聯系，實現對物體和過程的智能感知、識別和管理。運營商提供的4G網絡是人們生活中使用最廣泛的網絡，比WiFi運用更廣。可以實現遠距離傳輸，室內外皆可，速度非常快。這項技術看似優越，但耗電量大，因此只能在物聯網場景中使用，終端可以自己獲取電力，比如某公司的共享自行車，使用太陽能電池板獲取電力。在遠程場景中，如果終端無法解決供電問題，則需要一種低功耗、大覆蓋的技術來滿足這種場景下物聯網的通信需求。因此，在商業和技術的推動下，一些專家和企業開發了一種新的通信技術LPWAN，即低功耗廣域網技術，以解決這一問題。物聯網是通過RFID技術、無線傳感器技術和定位技術，自動識別、收集和感知貨物的標識信息、屬性信息和周圍環境信息，并借助各種電子信息傳輸技術，將貨物的相關信息聚合成一個統一的信息網絡，利用各種云計算、模糊識別、數據挖掘和語義分析等智能計算技術，對貨物的相關信息進行分析和融合最終實現對物質世界的高度認知和智能決策控制。1.2LoRa技術簡介。LoRa是semtech公司創建的低功耗局域網無線標準，低功耗一般很難覆蓋遠距離，遠距離一般功耗高，要想馬兒不吃草還要跑得遠，好像難以辦到。LoRa的名字就是遠距離無線電（LongRangeRadio），它最大特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，實現了低功耗和遠距離的統一，它在同樣的功耗下比傳統的無線射頻通信距離擴大3~5倍。它主要用于物聯網和電池供電的WLAN和WAN設備。LoRa是基于亞GHz頻段的，這使得在低功耗的情況下更容易進行遠距離通信。LoRa網絡的架設跟蜂窩網絡類似，很多LoRa的運營商都是蜂窩網絡運營商，他們只是在原有蜂窩網絡基站的基礎上增加天線來提供LoRa網絡服務，很多情況下，LoRa天線和蜂窩網絡天線共用，因為頻率非常接近，所以LoRa有明顯的成本優勢。1.2.1LoRa無線系統主要功能包括。（1）遠距離可達30英里，室外直線距離。（2）節點有數百萬個。（3）電池壽命長達數十年。1.2.2LoRa技術要素。（1）RF接口LoRa的物理層管理節點或端點之間傳輸的RF信號，即接收信號的傳感器和LoRa網關。它控制信號頻率、調制格式、功率電平、發射和接收元件之間的信令等相關課題。（2）LoRa網絡架構元素有整體系統架構、回程、服務器和應用計算機、RF元件。1.3LoRa調制。LoRa是一種特殊的無線擴頻調制解調技術。它與其它調制方式如FSK（頻移鍵控）、GMSK（高斯最小頻移鍵控）、BPSK（二進制相移鍵控）及其衍生物有著明顯的對比。它結合了數字擴頻、數字信號處理和前向糾錯編碼技術，具有前所未有的性能。在此之前，只有一些軍事通信系統會集成這些技術。隨著LoRa的引入，嵌入式無線通信領域的形勢發生了根本性的變化。LoRa調制解調器采用擴頻通信技術和前向糾錯技術，它融合了數字擴頻、數字信號處理和前向糾錯編碼技術。擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，信號的帶寬遠遠大于傳輸信息所需的最小帶寬；頻帶的擴展由一個獨立的碼序列來完成，通過編碼和調制來實現，獨立于發送的信息數據；在接收端，相同的代碼用于同步接收、解擴和恢復發送的信息數據；前向糾錯編碼技術是給待傳輸數據序列中增加了一些冗余信息，這樣，數據傳輸進程中注入的錯誤碼元在接收端就會被及時糾正。這一技術減少了以往創建“自修復”數據包來重發的需求，且在解決由多徑衰落引發的突發性誤碼中表現良好。其特點有第一是擴大了無線通訊鏈路的覆蓋范圍（實現了遠距離無線傳輸）；第二則是具有更強的抗干擾能力。對于同信道GMSK干擾信號的抑制能力達到20dB。憑借這么強的抗干擾性，LoRa調制系統不僅可以用于頻譜使用率較高的頻段，也可以用于混合通訊網絡，以便在網絡中原有的調制方案失敗時擴大覆蓋范圍。

2LoRa技術

2.1LoRa的通信特點。LoRa是采用SX1276/77/78收發器的終端節點。應用于超長距離擴頻通信的LoRa遠程調制解調器。它具有很強的抗干擾能力，能最大限度地降低電流消耗和功耗水平。LoRa的發射功率很低，是不通過增加發射功率來增加通信距離。產生的原因是：①傳輸頻率低，信號波長，傳輸過程中產生的衰落較小；②采用擴頻技術，使信號的抗多徑和抗衰落能力更強，因此對傳輸功率的要求不高；③終端節點在通信過程中的電流很小，接收電流低至10mA，休眠電流只有200μA，不僅降低了終端節點的能耗水平，還保證了終端節點可靠持久的工作壽命。2.2LoRa通信協議的特性。LoRaWAN是一種基于ALOHA的異步協議，即根據特定應用場景的需要，節點可以長時間或短時間睡眠，而蜂窩等同步協議的節點必須定期聯網。例如，市面上的手機必須每1.5s與網絡同步一次，在NB-IOT中，這種同步比較少，但仍然是定期的，這會消耗額外的電池電量。蜂窩網絡中的調制是充分利用頻帶的一種有效方法，但從節點的角度來看，它并不有效。

3結論

綜上所述，物聯網發展中會出現許多已知或未知的技術問題，但在政府和大眾市場的政策支持下，物聯網產業將能夠突破一切困難，全球目標智能化的實現將很快到來。與其他通信技術相比，LoRa具有功耗低、覆蓋范圍廣等優點，因而得到了廣泛的應用。

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作者:張一晨 劉瑞 范子濤 宋俊廷 單位:國網新疆電力有限公司烏魯木齊供電公司